多跨簡支下承式系桿拱橋設計與施工

黃生富

（上海市城市建設設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200125）

1 工程概況

博樂市位于新疆維吾爾自治區的西北部，為博爾塔拉蒙古自治州首府，是全州政治、經濟、文化的中心，是中國西部重要沿邊開放城市和第二座亞歐大陸橋的西橋頭堡，擁有國家一級開放口岸—阿拉山口口岸。博河新區位于博樂老城南部，是博樂市發展的新引擎，博河新區系列橋梁為博樂老城與博河新區溝通的城市主要道路跨越博爾塔拉河及新區水系重要節點工程。團結路橋為規劃團結路跨越七一水庫節點工程，是溝通北城片區和南城片區的紐帶，對推動橋位周邊及整個博河新區的發展起著關鍵作用，是本次橋梁系列設計中規模最大的橋梁。橋梁位于水庫庫區，周邊將結合橋梁的建設發展水景景觀，團結路橋除滿足交通需求外，還需滿足城市對景觀方面的要求。

2 主要技術標準

（1）道路等級：城市次干道，設計車速40 km/h；

（2）設計荷載：汽車荷載，城-A級(根據業主要求，提高標準)；人行道及非機動車道按《城市橋梁設計規范》（CJJ 11—2011）取用；

（3）橋梁設計基準期：100 a；

（4）設計安全等級：一級；

（5）環境類別：Ⅱ類；

（6）抗震：地震動峰值加速度0.1g，抗震設防烈度為7度；

（7）防洪：100 a一遇洪水位 509.85 m，300 a一遇洪水位510.63 m。

3 橋梁方案比選

工程范圍南起迎春路、北至沿河大道，跨越博爾塔拉河下游七一水庫，水面寬度約700 m。橋梁位于寬闊水面，需要一定的體量和規模才能與之相匹配。設計最初橋梁方案為獨塔風帆單索面斜拉橋，考慮了全鋼方案和全混凝土方案的景觀造型和施工可行性，結合項目所在地的具體條件，得出該方案在景觀造型上不盡完美，施工難度及后期養護難度大的結論，通過方案進一步比選和綜合業主意見，最終確定以連拱方案為實施方案，見圖1。

圖1 團結路大橋效果圖

連拱方案整體造型如連山、如水波，揮灑飄逸，似兩條潔白的哈達，寓意作為古“絲綢之路”重鎮的博樂，在今天作為“一帶一路”國家戰略的橋頭堡，肩負著走出國門，溝通亞歐的重任，同時也用最高的熱情迎接著八方來客。

4 結構總體構思

橋梁總體上采用多跨簡支下承式系桿拱橋方案，主橋長354 m，跨徑布置為37 m+47 m+58 m+70 m+58 m+47 m+37 m；各跨跨度及拱肋高度漸次變化，外形連綿起伏，形成優美韻律。系桿拱橋采用鋼箱拱肋、預應力混凝土系梁，為剛梁剛拱體系，總體布置見圖2、圖3。

圖2 團結路大橋立面布置圖（單位：mm）

圖3 團結路大橋橫斷面布置圖（單位：mm）

該方案結合當地的施工及養護技術水平，在保證橋梁景觀效果的前提下，盡量減少大橋施工難度及養護難度，主要體現在以下方面：

（1）結構設計為多跨簡支結構，簡化結構體系，減小施工難度。為了提高行車舒適性，設置橋面連續構造，整個主橋建成后共分為三聯。

（2）預應力混凝土主梁用做拱橋的系梁，主梁截面大、剛度大，結構受力對施工步驟不敏感。主梁的預應力可以一次張拉完成，避免了一般系桿拱橋水平系桿需多次張拉的要求，簡化施工控制要求，縮短施工工期。

（3）預應力混凝土主梁作為系梁，橋面體系整體性好，剛度大，耐久性好，后期維修養護技術要求低。

（4）充分利用水庫的枯水期，采用先梁后拱的方案，施工技術難度小，并且采用鋼結構拱肋工廠制作與現場工作同步進行，施工速度快。

5 結構設計要點

5.1 拱肋

全橋橫向布置兩片變截面鋼箱拱肋，為了提高橋梁的整體景觀效果，拱肋之間不設置風撐，橋面以上構造更加簡潔，視野更加開闊。

拱軸線采用二次拋物線，矢跨比為1/5。拱肋截面采用六邊形陀螺形鋼箱截面，材料為Q345qE。拱肋內部設置縱向I字型加勁肋，增強拱肋面板的穩定性。拱肋內部設置間距1 700 mm左右的橫隔板，其中一般橫隔板垂直于拱軸線布置；吊點橫隔板鉛錘布置，見圖4。

圖4 拱肋布置示意圖（單位：mm）

由于景觀造型需要，拱肋截面采用了六邊形陀螺形鋼箱截面，并且截面高度及寬度均沿著拱軸線弧長變化。與矩形截面相比，本橋拱肋截面更顯輕盈，而且造型更為豐富，但也帶來了拱肋放樣的困難。拱肋截面尺寸變化較為復雜：底板寬度始終保持不變，為1 100 mm，斜腹板傾斜角度保持不變，斜率為4∶1；拱頂寬度B、拱肋高度H，均沿著拱軸線弧長（S）線性變化，拱軸線原點（0，0）位于拱頂。拱肋面板為空間曲面，涉及平面展開的問題，楊暉柱等[2]在國家體育場鋼結構空間彎扭箱形截面的三維建模與放樣中探討了這個問題，涉及的方法可進一步提煉為“空間曲面平面展開三角形擬合法”。

拱肋面板為空間曲面，特點為兩個長棱邊為空間曲線，兩個端頭棱邊為直線段。平面展開放樣的實用方法見圖5，可稱之為“空間曲面平面展開三角形擬合法”。曲面的兩條長邊上分別設置節點C1（i）、C1（i+1）、C1（i+2）…… ，C2（i）、C2（i+1）、C2（i+2）……；計算空間節點 C1（i）、C2（i）、C2（i+1）形成的三角形S（i），繪制于平面上，依次在平面上繪制 S（i）、S（i+1）……，最終將曲面展開至平面上。為了保證曲面展開的精度，曲面邊線劃分點數應保證一定的密度。

圖5 空間曲面平面展開三角形擬合法示意

根據以上原理，編制了專門的空間曲面平面展開程序，拱肋設計時給出了各個拱肋節段的頂板、底板、直腹板、斜腹板的平面展開圖，解決了拱肋面板空間曲面的放樣問題。

5.2 拱腳

拱腳為混凝土結構，立面線形與拱肋相呼應，采用圓弧造型，保持相鄰拱肋之間線形流暢，形成連拱的建筑效果；拱腳下半部分作內傾處理與拱肋截面相一致，使拱腳造型更顯輕盈；拱腳與拱肋結合采用內埋式設計。鋼箱拱肋與混凝土拱腳的連接段分為對接區、過渡區、尾部區，見圖6。對接區與鋼箱拱肋采用對接焊連接；過渡區預埋于混凝土拱腳內，面板外表面布置M22焊釘，同時端部設置承壓板，通過端部承壓板及焊釘，將拱肋內力傳遞至混凝土拱腳；尾部區為承壓板尾部設置的開孔板連接件的區域，進一步加強預埋鋼拱肋與混凝土拱腳的連接，以及緩解端承壓板處的應力集中現象。

圖6 拱腳構造

5.3 吊桿

吊桿采用鋼絞線整束擠壓吊桿，吊桿縱橋向間距為4.16～5 m。拱肋端吊點采用插銷式耳板，為固定端，梁端吊點錨固于系梁底面，為張拉端；錨固系統采用整束擠壓拉索錨具。為了降低拱肋端銷軸及耳板的受力，橫向采用雙吊桿布置，規格為GJ15-7～GJ15-12，并在張拉端設置球鉸以適應吊桿微小轉動。

5.4 主梁

由于橋面較寬，為了降低橫梁的跨度及減小人非道大懸臂外挑的設計難度，系梁采用單箱雙室截面的雙主梁布置形式，見圖7。雙主梁中心距26.5 m，箱梁頂寬11.8 m，底寬6 m，中心高度為2.2 m，見圖7。主梁采用預應力混凝土結構，縱向預應力鋼束一方面需要抵抗拱橋結構體系的拱腳水平推力，另一方面需要抵抗主梁豎向彎曲效應。

圖7 主梁構造（單位：mm）

兩主梁之間設置中橫梁和端橫梁。中橫梁分為一般橫梁和吊點橫梁，均為T形斷面，腹板厚度0.6 m，底面與主梁平齊；端橫梁為箱形斷面，寬3～4.16 m，底面與系梁底平齊，腹板及頂底板厚度均為0.5 m；中橫梁及端橫梁均為預應力混凝土結構。

主梁范圍內橋面板為雙向板受力，受力較小，采用鋼筋混凝土結構；橫梁之間橋面板為順橋向方向單向板，間距較大，采用預應力混凝土結構，布置縱向橋面板預應力鋼束，鋼束規格為?s15.24-5。

6 結構分析

6.1 計算模型

選取70 m跨拱橋為例進行簡要介紹。采用Midas Civil軟件，建立三維有限元計算模型，見圖8，其中鋼箱拱肋、混凝土主梁、橫梁采用梁單元，吊桿采用桿單元。

圖8 團結路大橋計算模型

6.2 主要計算結論

鋼拱肋在恒載作用下，最大壓應力為144.7MPa，未出現拉應力；在標準組合下，最大壓應力為172.1 MPa，滿足規范要求。

吊桿在恒載及活載組合作用下，單根吊桿最大拉力1 105.0 kN，最小安全系數為3.56＞3，強度滿足規范要求。

主梁及橫梁均按照預應力A類構件控制。正常使用極限狀態的抗裂驗算及應力驗算和承載力極限狀態下抗彎及抗剪驗算均滿足規范要求。

由于拱肋之間未設置風撐，拱肋的整體穩定是設計關注的重點之一。計算考慮兩種荷載工況：一是恒載工況，以恒載為變量；二是恒載+汽車荷載工況，以恒載+汽車荷載為變量。恒載工況下的穩定系數為13.97，恒載及汽車荷載工況下的穩定系數為12.90，失穩模態見圖9，為拱肋面外失穩，拱肋整體穩定系數滿足規范要求，并且有較大的富裕度。

圖9 結構失穩模態

另外對結構關鍵節點進行了三維有限元分析，包括拱端吊桿錨固局部應力分析、拱腳鋼混結合部局部應力分析等。

7 施工方法及順序

本橋采用先梁后拱的施工方法，系梁及橫梁的施工采用支架方式施工。采用主要施工步驟如下：

（1）主橋橋墩鉆孔灌注樁、承臺、立柱和蓋梁施工；搭設拱橋支架，支架上現澆系梁和中橫梁；張拉系梁預應力鋼束；

（2）按從跨中向梁端對稱的張拉中橫梁鋼束；澆注端橫梁及拱腳段混凝土，張拉端橫梁預應力鋼束；

（3）分段施工現場鋼箱拱直至成型；

（4）安裝吊桿，第一次張拉吊桿；

（5）拆除橋面系支架；安裝橋面連續構造，橋面鋪裝及欄桿施工；

（6）調整各根吊桿內力至設計值，成橋通車。

本橋采用先梁后拱的施工方法，七跨拱橋同步進行施工，拱肋節段工廠預制和現場工作同步進行，大大縮短了施工工期。

8 結語

團結路大橋采用民族特色—哈達這一設計概念，多個拱圈高低錯落，連綿起伏，寓意著作為古絲綢之路重鎮的博樂在“一帶一路”的時代主題下將展現出更多的活力和擔當，符合博樂市的當地文化特點。同時，橋梁結構方案充分考慮當地的施工及養護技術水平及現場施工條件，設計為多跨簡支下承式系桿拱橋，減小了大橋施工難度及養護要求。目前，團結路大橋已經運營通車，成為當地一景。